Повышение эффективности эксплуатации спиральных спусков на угольных шахтах

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятыми ХХУ1 съездом КПСС, поставлена задача обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770−800 млн. тонн /I/. Эта задача решается на основе внедрения прогрессивной технологии и горнотранспорт- -ного оборудования в сложных горно-геологических условиях. Поставлена задача повысить качество угля, поставляемого народному хозяйству.

Основное направление, принятое в угольной промышленности, обеспечивающее увеличение объемов добычи угля — это увеличение нагрузок на забой при максимальной концентрации горных работ. Все это требует от подземной транспортной системы обеспечения приема больших грузопотоков при большой их неравномерности.

Отечественной и зарубежной практикой разработки угольных месторождений установлено, что наиболее прогрессивными являются непрерывные виды транспорта. Транспорт угля из очистных и подготовительных забоев производится в основном конвейерами с использованием аккумулирующих и усредняющих бункеров.

Для снижения степени измельчения угля в горных бункерах и уменьшения динамических нагрузок на его элементы в них используются спиральные спуски /2,3/. Там, где необходимо обеспечить перепуск угля с верхних пластов вниз, применяются установки гравитационного транспорта, которые одновременно используются в качестве аккумулирующих или усредняющих емкостей /4, 5, 6, 7/.

Используются спиральные спуски, установленные в гезенках, в шахтах Великобритании (шахта «Лайнмаус»). Во Франции на одной из крупных шахт «Мерлебах» при отработке сближенных пластов откаточные выработки проходятся по нижнему пласту, а передача угля со смежных пластов осуществляется по гезенкам, которые оборудованы спиральными спусками. Одной, из характерных особенностей схем транспорта шахт ФЕТ является расположение транспортных выработок на нескольких пластах с перепуском угля на основной: горизонт по гезенкам и слепым стволам, оборудованным спиральными спусками. Используются горные бункеры большой: емкости 3000 м³ (шахта «Ху-го»), 7000 м³ Сшахта «Фродрих дер Гроссе»), 3000 м³ (шахта «Консолидации»), загрузка угля в которые также производится по спиральным спускам /8/.

В отечественной: практике на некоторых шахтах применялись металлические спиральные спуски. Так, на шахте им. 50 лет Октября ПО м1уковоугольп спиральные спуски располагаются в центре горных бункеров, на шахте «Карагандинская» ПО «Киселевскуголь» эксплуатировались спиральные спуски в трубной обечайке, обеспечивая перепуск угля на откаточный горизонт с трех одновременна работающих пластов.

Опыт эксплуатации существующего шахтного транспорта на угольных предприятиях СССР показывает, что при транспортировании угля по подземным выработкам до поверхности шахт и обогатительных фабрик образуется в среднем до 17% штыба, что приводит к снижениютоварной стоимости 1 т на 1,5−2,5- руб. и к увеличению затрат при разделении на сорта Г т на 0,1−0,2 руб. Поэтому душ снижения измельчения в местах загрузки и разгрузки угля при перепадах высот более 3−4 м рекомендуется, установка спиральных спусков /9/.

Полная конвейеризация угольных шахт, широкое применение ленточных конвейеров значительно снижает измельчение угля /10/" Поэтому в этих системах транспорта в гезенках, бункерах и вертикальных стволах, по которым производится перепуск угля на никнже горизонты, необходимо применять спиральные спуски.

В Советском Союзе построены крупные угольные шахты «Ворга-шорская» и «Распадская». На этих шахтах приняты новые прогрессивные технические решения в вопросах транспорта /II/:

— полная конвейеризация доставки угля от забоя до погрузки в железнодорожные вагоны и аккумулирующие бункера большой, емкости;

— комплексная механизация и автоматизация транспортирования угля;

— использование для перепуска угля с пластов на нижний транспортный, горизонт спиральных спусков.

В ряде разработок проектных институтов нашей страны предусматривались мероприятия по уменьшению измельчения угля в бункерах, которые в основном, сводились к установке центральных спиральных или ступенчатых спусков /12/. Запроектированы такие устройства для шахт «Северная», «Воркутинская», В 18 «Капитальная» ГО «Воркутауголь». Центральные спиральные спуски в бункерах большой: емкости запроектированы институтами: Карагандагипрошахт на шахте им. В. И. Ленина, «Укрнижпроект» на шахте «Шахтерская-Глубокая» ," Днепрогипрошахт" - на шахте J& 2 «Нагольчанская» и" Дон-гипрошахт" - на шахте «Красноармейская-Капитальная» .

Опыт эксплуатации спиральных спусков показывает, что в процессе работы элементы спирали изнашиваются, а восстановительные работы требуют значительных затрат.

При проектировании магистральных транспортных систем разработаны методики расчета грузопотоков, параметров звеньев конвейерного транспорта и аккумулирующих емкостей., с помощью которых можно определить необходимое количество и тип транспортной, уста.

Новки /7,13/.

До настоящего времени нет единой методики расчета спиральных спусков, работающих в режимах аккумулирования и транспортирования при поступлении в них горной массы с нескольких отрабатываемых пластов. Нет достаточно полных инструкций по эксплуатации спиральных спусков, включающих приемы по их обслуживанию во время монтажа, планово-предупредительного ремонтамероприятия по повышению износостойкости элементов конструкциитип и параметры монтажного оборудования для проведения работ, связанных с обслуживанием спусков в процессе их эксплуатации, а также рекомендации по области их применения. Поэтому разработка способов упрочнения спирали, оборудования для ремонта и монтажа спиральных спусков в трубной обечайке, разработка основных положений по эффективной их эксплуатации являются актуальной задачей при совершенствовании шахтных спиральных спусков.

В связи с этим целью работы является развитие метода расчета, разработка новых технических решений по упрочнению и ремонту спиральных спусков с оценкой области их применения, обеспечивающих эффективную эксплуатацию спусков на угольных шахтах.

Идея работы заключается в использовании влияния параметров транспортируемого угля и конструктивных характеристик спирального спуска на его транспортирующую, аккумулирующую способность и степень износа спирали.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

— впервые установлена зависимость параметров углового объема потока угля от его влажности и ширины заполнения спирали, что позволило развить метод расчета спирального спуска в режиме транспортирования;

— впервые установлена зависимость аккумулирующей способности спирального спуска в трубной обечайке от влажности угля, на основе которой возможно оценить условия его работы в режиме аккумулирования;

— получена зависимость износа секторов спирали спуска от параметров грузопотоков угля, отличающаяся тем, что учтено изменение интенсивности износа в зонах по площади спирали. Это позволило разработать средства повышения износостойкости секторов спирали спуска.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается:

— использованием современных методов измерения, фотосъемки и физического моделирования процессов транспортирования и аккумулирования в спиральном спуске, применением теории планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики с обработкой результатов экспериментов на ЭВМ;

— объемом экспериментальных исследований и используемыми методами обработки их результатов, обеспечивающих 95% - ную вероятность статистических выводов, при высоких значениях корреляционных отношений (не менее 0,8) полученных зависимостей;

— положительными результатами внедрения повышения износостойкости спирали спусков, работоспособностью предложенных конструкций.

Диссертация выполнена по результатам плановых научно-исследовательских работ: (тема 0504) «Разработать и внедрить рекомендации по выбору наиболее рациональных типов конвейеров и аккумулирующих ёмкостей для шахты «Распадская», утвержденной Минуглепромом СССР, и (тема 5 036) «Усовершенствовать и внедрить технологические схемы и средства забойного и смежного с ним транспортного оборудования при работе в сложных горно-геологических условиях», утвержденной ВПО «Кузбассуголь». Диссертационная работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском угольном институте (КузНИУИ), на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского политехнического института (КузПИ) и на шахтах производственного объединения «Южкузбассуголь». Результаты работы изложены в отчетах КузНИУИ и актах по внедрению способов повышения износостойкости секторов спиральных углеспусков на шахте «Распад-ская» .

Значение работы. Для теории выявлены закономерности формирования грузопотока на спирали спуска желобчатой формы при рациональной ее геометрии, учитывающие свойства транспортируемого угляустановлено влияние влажности на аккумулирующую способность спирального спуска в трубной обечайке и возможность его работы в режиме аккумулированияопределено влияние параметров грузопотока угля на износ секторов спирали спуска, работающего в качестве сборной транспортной установки.

Для практики разработаны методы расчета спиральных спусков подобных конструкций с рациональной геометрией, развивающие существующие методики расчетаопределены трудозатраты, связанные с ремонтом и обслуживанием спиральных спусков в трубной обечайкесозданы и получили практическую реализацию средства повышения износостойкости секторов спирали спускаразработано оборудование, обеспечивающее механизацию и интенсификацию его ремонта и монтажа.

Результаты выполненных исследований использованы при разработке «Руководства по монтажу, ремонту и эксплуатации спиральных спусков в трубной обечайке», утвержденного ВПО «Кузбассуголь». Средства повышения износостойкости секторов спирали углеспусков внедрены на шахте «Распадская» ПО «Южкузбассуголь» с годовым экономическим эффектом 20 тыс. руб. в расчете на один спиральный спуск.

Основные положения и результаты докладывались и получили одобрение на областной научно-практической конференции «Механизация и автоматизация ручных и трудоемких операций в промышленности Кузбасса» (г. Кемерово, 1984 г.) — на совещании в институте «Кузбассгипро-шахт» (г. Кемерово, 1984 г.) — на заседании секции научно-технического Совета института «Сибгипрогормаш» (г. Новосибирск, 1984 г.) — на заседании научного семинара ВостНИИ (г. Кемерово, 1984 г.) — на техническом совещании ВПО «Кузбассуголь» (г. Кемерово, 1984 г.) — на технических совещаниях шахты «Распадская» (г. Междуреченск, 1977, 1981, 1984 г. г.) — на технических совещаниях ПО «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 1981, 1984 г. г.).

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства на изобретение.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и общих выводов, изложенных на 118 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 29 таблиц, список литературы из 64 наименований и 6 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе решена актуальная задача по развитию метода расчета и разработке новых технических решений по упрочнению и ремонту спиральных спусков с оценкой области их применения, на основе которых повышается эффективность эксплуатации спусков на угольных шахтах.

В работе рассмотрены и исследованы следующие вопросы:

1. Проведен анализ технологических схем транспорта при различных вариантах вскрытия и подготовки шахтных полей, показавших большой объем транспортирования угля по гезенкам и стволам с верхних до нижних транспортных горизонтов. Спиральные спуски в трубной обечайке наиболее приспособлены для перепуска угля по гезенкам, стволам и бункерам, хотя имеют присущие им недостатки.

2. Проведен анализ результатов исследований режимов работы и методов расчета эксплуатационных параметров спиральных спусков, из которого видно, что объем экспериментальных исследований не позволяет получить точные расчетные характеристики спирального спуска по транспортированию и аккумулированию с учетом свойств угля, величины грузопотоков и геометрических параметров спирали. Нет достаточно полных исследований износа рабочей поверхности спирали по всей ее площади, оценки параметров надежности спиральных спусков и ремонтопригодности его в шахтных условиях. Исходя из этого установлена актуальность работы и намечены задачи предстоящих исследований.

3. Разработана методика, изготовлены стенды и измерительная аппаратура для лабораторных и шахтных исследований. Приняты два основных метода исследований: в натурных условиях и на физической модели спирального спуска. Выбран масштаб модели, определены критерии подобия. Проведено планирование экспериментальных исследований, определены объемы наблюдений и алгоритмы обработки результатов исследований.

4. Определены параметры шахтных грузопотоков и физико-механических свойств транспортируемого угля, поступающего на спиральные спуски в различных участках по его высоте, по которым выбраны рациональные условия проведения экспериментальных исследований износа секторов спирали. Определены места установки контрольных секторов, на которых исследовался их износ.

5. Исследовано влияние влашюсти угля на его физико-механические свойства. Установлено, что наличие мелких фракций в угле задает его физико-механические свойства, а величина его среднего куска не оказывает на них значительного влияния. Уточнены основные критерии подобия, определены параметры угля, используемого при моделировании процессов в спиральном спуске.

6. Проведен анализ геометрических параметров спирального спуска ДГ400 и на его модели исследованы режимы работы по транспортированию и аккумулированию угля. Определено влияние геометрических параметров спуска и влажности угля на характеристики углового объема движущегося грузопотока и коэффициент заполнения внутреннего объема спуска. Определены условия саморазгрузки спуска и возможности работы его в режиме аккумулирования. Результаты исследований использованы при разработке методик расчета параметров спирального спуска Д1400 и проектирования подобных ему конструкций.

7. Исследованы параметры износа спирали и надежности работы спуска при различных величинах транспортируемого по нему грузопотока. Определены положения и площади зон максимального износа, ресурс работы спирали. Установлены параметры надежности и трудозатраты, связанные с ремонтом спуска.

На основании результатов проведенных исследований развита методика расчета спирального спуска, оценена область его применения.

8. Практические рекомендации оформлены в «Руководстве по монтажу, ремонту и эксплуатации спиральных спусков в трубной обечайке». Внедрение практических рекомендаций на шахте «Распадская» дало годовой экономический эффект 20 тыс. руб. на один спиральный спуск.

Разработка указанных вопросов позволила сделать следующие выводы:

1. Для угольных шахт характерно применение блочной схемы вскрытия и одновременной обработки 2−3 пластов свиты, что приводит к увеличению объема угля, перепускаемого по вертикальным выработкам от 0−46−0,74 до 1,2 млн. т, где в качестве магистрального транспорта используются спиральные спуски.

2. Существующие методы расчета не позволяют получить достаточно точные параметры спиральных спусков. Верхняя огибающая потока угля на спирали принимается выпуклой, вогнутой или прямолинейной формы, при этом не учитывается влияние влажности угля на работу спуска, которая меняется от 4 до 8,5%- не учитывается влияние грузопотоков на износ спирали, которые имеют большой коэффициент неравномерности равный 1,9−2,8.

3. Оценка параметров грузопотоков и свойств транспортируемого угля позволила выявить характерные условия работы спирального спуска в трубной обечайке, основные факторы, влияющие на его работу с учетом конструктивных параметров спуска.

4. Движущийся по спирали поток угля характеризуется угловым объемом, параметры которого зависят от влажности угля и ширины заполнения спирали. Величина порожних участков спирали, свободных от движущегося потока, зависит от величины транспортируемого потока и влажности угля.

5. Полезное сечение спирального спуска в трубной обечайке при влажности угля 4% составляет 86% от его геометрического сечения и снижается с ростом влажности до 69%. Самозагрузка спирального спуска идет надежно при влажности угля от 4 до 10%. В случае невозможности движения угля по спирали самозагрузка спуска прекращается при влажности угля 9,6%. Спиральный спуск в трубной обечайке имеет коэффициент готовности 0,995 -0,996 и работает надежней, чем наклонный горный бункер.

6. Наибольший износ секторов спирали спуска в линейной его части приходится на участок, где движется средний грузопоток с ожидаемой влажностью угля. У секторов, установленных под загрузкой угля с пластов, зоны интенсивного износа смещаются к наружному радиусу спирали, а ресурс их работы ниже 1,1−1,4 раза, чем у секторов, установленных в линейной части спуска. Средний ресурс секторов в линейной части спуска состовляет 4,57 млн. т, а минимальный 3,91 млн.т.

7. Основная трудоемкость при монтаже-демонтаже (65−74%) приходится на работы по перемещению элементов става спуска по стволу и для их закрепления в стволе. Ремонт спирали путем индивидуальной замены ее секторов имеет наибольшую трудоемкость (до 53%), которая связана с заводкой новых и извлечением старых секторов. Предложенные технические решения по механизации работ позволяют увеличить производительность в 1,5−2 раза.

8. Методика инженерного расчета, разработанная по результатам проведенных исследований, позволяет более точно определить эксплуатационные и конструктивные параметры спиральных спусков, что обеспечивает эффективную эксплуатацию их на угольных шахтах.